监测低温液化气罐中的液化气的方法以及低温罐与流程

1.本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的监测低温液化气罐中的液化气的方法。本发明还涉及根据装置独立权利要求的前序部分所述的低温液化气罐。


背景技术：

2.本发明涉及在低温条件下以适当方式将液化气储存在耐压罐中以及该罐的仪器装备的领域。通过这样的仪器装备，能够测量和/或记录该液化气罐中的液化气的物理量。最令人感兴趣的量之一是呈液相的气体的量，但是也可能希望测量其他量。
3.雷达水平仪是已知的，其通过测量行波的飞行时间，然后确定处理材料的水平，以与超声波水平传感器大致相同的方式测量从发射器/传感器到位于更下方的液体表面的距离。他们被认为是连续液位测量装置，这是因为他们在器皿中的液体液位变化的同时继续连续地测量液位。雷达水平仪和超声波水平仪之间的根本差异是所使用的波的类型。雷达水平仪使用无线电波而不是超声波仪器中使用的声波。无线电波本质上是电磁的，在微波频率范围内具有非常高的频率。
4.还已知通过罐的上部空档空间与罐的底部部分之间的压力差测量来限定液化气表面的液位。该方法相当不准确，这是因为罐中的液化气的密度随时间变化并且不是准确已知的。
5.由于该发明涉及液化气罐，操作安全性是处理例如易燃液化气时极其重要的方面，并且在那方面，在液化气罐中使用双壁装置就此而言是已知的。
6.在公开文献wo2017042424a1中示出了一种lng燃料罐，该燃料罐包括不锈钢的内壳、外壳以及处在外壳与内壳之间的带有隔热体的腔20。在wo2017042424a1中，公开了一种使用基于雷达的检测器确定燃料罐中的燃料水平的方式。为此，lng燃料罐在罐的圆柱形壳部分中设有人孔构造，经由所述人孔构造可进入lng燃料罐的内部。人孔设置有用于确定燃料罐的内壳中的燃料水平的装置。
7.文献de29615453 u1公开了一种用于液体和液化气的容器中的液位指示的装置。其提出提供具有托架的容器，多个阻抗温度传感器被布置在托架中，并且将托架布置在容器内部。根据这一文献，容器中的液位的确定是基于以下现象的：当测量电流流过传感器时，浸入液体中的传感器提供的升温比液体上方的传感器提供的升温少。
8.文献de19614112 a1提出了将温度传感器布置在低温容器的内壁外部。这种解决方案要求至少要在传感器的位置破坏容器的绝热体，这对温度测量具有不希望的影响并且还导致将不必要的热传递到容器中。
9.本发明的一个目的是提供一种监测低温液化气罐中的液化气的方法，其与现有技术解决方案相比，操作的可靠性能得到显著改进。


技术实现要素：

10.本发明的目的基本上可以如在独立权利要求和描述本发明的不同实施方式的更
多细节的其他权利要求中所公开的那样得到满足。
11.根据本发明的一个实施方式，低温液化气罐具有内壳和外壳以及处在内壳与外壳之间的隔热体，监测低温液化气罐中的液化气的方法包括：
12.将用于确定液化气罐的内壳的外表面的温度的温度传感器的阵列布置在不同的竖直位置处，
13.对温度传感器的阵列中的传感器进行读取，以获得温度数据，
14.对温度传感器的阵列的传感器进行有效性检查，
15.在一传感器未通过有效性检查的情况下，丢弃温度数据而不进行进一步处理，以及
16.基于通过了有效性检查的传感器的温度数据来确定液化气的状态。
17.根据本发明的一个实施方式，传感器的有效性检查是通过以下步骤来执行的：设定传感器的温度数据的基准值，以及将传感器的每个温度数据与基准值进行比较，以及在温度数据与基准值的差大于预定允许值的情况下，丢弃该传感器的温度数据而不进行进一步处理。
18.根据本发明的一个实施方式，传感器的有效性检查是通过以下步骤来执行的：将温度传感器的阵列中的传感器之一的温度数据设定为传感器的温度数据的基准值。
19.根据本发明的一个实施方式，传感器的有效性检查是通过以下步骤来执行的：将温度传感器的阵列中的水平相邻的传感器的温度数据设定为基准值。
20.根据本发明的一个实施方式，液化气罐中的液化气的表面液位的竖直位置是仅基于通过了有效性检查的传感器的温度数据来确定的。
21.根据本发明的一个实施方式，传感器的阵列包括被布置在不同的预定竖直和水平位置处的温度传感器。因此，液化气罐中的液化气的二维温度分布是基于通过了有效性检查的传感器的温度数据来确定的。
22.根据本发明的一个实施方式，液化气的表面液位的竖直位置是通过以下步骤来确定的：对温度传感器的竖直阵列中的传感器进行读取，以及用使用通过了有效性检查的温度数据计算的内插的温度数据来替换任何丢弃的温度数据。
23.根据本发明的一个实施方式，液化气的表面液位的竖直位置是通过以下步骤来确定的：对温度传感器的阵列中的叠置的传感器进行读取，以及用水平方向上最邻近被丢弃的传感器的通过了有效性检查的传感器的温度数据来替换任何被丢弃的温度数据。
24.根据本发明的一个实施方式，液化气的表面液位的竖直位置在第一水平位置处是通过以下步骤来确定的：对温度传感器的阵列中的第一列竖直叠置的传感器进行读取，并且液化气的表面液位的竖直位置在第二水平位置处是通过以下步骤来确定的：对温度传感器的阵列中的第二列竖直叠置的传感器进行读取。
25.根据本发明的低温液化气罐包括内壳和外壳以及具有温度传感器的阵列的监测装置和处在内壳与外壳之间的隔热体，其中，监测装置包括计算机单元，该计算机单元包括可执行指令，该可执行指令：从温度传感器的阵列中的传感器获得温度数据，对温度传感器的阵列的传感器进行有效性检查，并且在一传感器未通过有效性检查的情况下，丢弃该传感器的温度数据而不进行进一步处理，并且仅利用通过了有效性检查的传感器，基于通过了有效性检查的传感器的温度数据来确定低温液化气罐中的液化气的状态。
26.根据本发明的一个实施方式，温度传感器的阵列处在绝热体腔中。
27.根据本发明的一个实施方式，温度传感器的阵列的传感器被布置在不同的预定竖直位置处。
28.根据本发明的一个实施方式，温度传感器的阵列的传感器被布置在不同的预定竖直和水平位置处。
29.根据本发明的一个实施方式，低温液化气罐具有计算机单元，该计算机单元包括可执行指令，该可执行指令：通过对温度传感器的竖直阵列中的传感器进行读取来确定液化气的表面液位的竖直位置，并且用使用通过了有效性检查的传感器的温度数据计算的内插的温度数据来替换任何丢弃的温度数据。
30.根据本发明的一个实施方式，计算机单元包括可执行指令，该可执行指令：通过对温度传感器的阵列中的叠置的传感器进行读取来确定液化气的表面液位的竖直位置，并且用水平方向上最邻近被丢弃的传感器的通过了有效性检查的传感器的温度数据来替换任何被丢弃的温度数据。
31.本发明还涉及一种计算机可读存储器设备，该计算机可读存储器设备包括可执行指令，这些可执行指令在被计算机执行时致使该计算机执行与根据所附装置权利要求中的任一项所述的低温液化气罐有关的所附方法权利要求中的任一项所述的方法。
32.本发明的主旨是将传感器在内壳与外壳之间的绝热体腔中在内壳的外表面上固定在特定高度上。这样，可以避免穿透绝热体以及内壳与外壳两者或其中一者。此外，形成热桥的可能性被最小化。通过布置预定数量的传感器使得这些传感器的冗余成为可能，这使得即使这些传感器中的一些传感器在液化气罐的预期寿命期间失效，也可以通过使用相邻传感器或数学内插来补偿或替换这些传感器。为了使传感器的阵列的使用寿命能够持续由制造商限定的液化气罐的标称预期寿命，本发明使得有可能的是，即使一些传感器可能由于某些原因而变得不能工作，仍然可以确定液化气罐中的液化气的状态。
33.通过本发明，还有可能检测和控制低温液化气罐的分层以及倾翻现象，即，由分层引起的液化气蒸汽从低温液化气罐的快速释放。
34.根据本发明的一个实施方式，这些传感器被竖直地布置成使得这些传感器之间的距离为100mm以下。
35.本专利申请中呈现的本发明的示范性实施方式不应被解释为对所附权利要求书的适用性构成限制。动词“包括”在本专利申请中被用作开放式限制，其不排除还存在未引用的特征。除非另有明确说明，在从属权利要求中叙述的特征可相互自由地组合。在所附权利要求中具体阐述了被认为是本发明的特征的新颖特征。
附图说明
36.在下文中，将参照相应的示范性示意图来描述本发明，在附图中
37.图1展示了根据本发明的一个实施方式的低温液化气罐，
38.图2展示了根据本发明的一个实施方式的与确定低温液化气罐的表面液位的原理相关的细节，
39.图3展示了根据本发明的另一个实施方式的低温液化气罐，
40.图4展示了根据本发明的另一个实施方式的低温液化气罐，以及
41.图5展示了根据本发明的另一个实施方式的与确定低温液化气罐的表面液位的原理相关的细节。
具体实施方式
42.图1示意性地展示了低温液化气罐10的端部，为了简单起见，该低温液化气罐还可以被称为罐，其例如被布置在船舶或基于陆地的发电设备的平台12上。实际上，该液化气罐的另一端基本上与该图中所示的一端相同并且因此在此未示出。图1还示出了根据本发明的一个实施方式的液化气罐10的截面视图。液化气罐10具有圆形截面并且其具有拱顶状末端。低温液化气罐可用作例如根据本发明的优选实施方式的液化天然气罐。其还可以被设计成压力容器。低温液化气罐10包括内壳16，该内壳有利地是不锈钢的以承受罐中的情况。内壳16内的罐空间11形成液化气储存空间。低温液化气罐10还包括外壳18，该外壳也可以是不锈钢的。在内壳16与包封内壳16的外壳18之间存在绝热体腔20。外壳18进而包封绝热体腔20。绝热体腔20可以填充有合适的绝热材料和/或如图1的情况其可以是形成绝热体的真空绝热体空间。内壳16通过设置在腔20中的支撑件而被支撑在外壳18上或者被支撑到外壳18。
43.如图1所示的低温液化气罐10设置有室或空间22，该室或空间被焊接到罐10的外壳18上，或通过一些其他适当的方式被布置成与罐10的外壳18气密地连接，从而形成一个防止意外液化气泄漏的安全屏障。除了容纳监测和控制装置之外，空间22(其可被称为罐连接空间)还例如用于容纳用于填充或排空液化气罐10所需的管路和仪器，此处未示出。
44.罐连接空间22通常是包含所有罐连接件、配件、凸缘和罐阀的气密外壳。其由耐低温材料构成，可选地，其具有带有高度指示器和低温传感器的储物舱。罐连接空间(tcs)通常不是可触及的，除非经检查有足够的氧气并且没有爆炸性气氛，否则其不能由人员进入。
45.根据本发明的罐10包括温度传感器31的阵列30，该温度传感器31被配置成用于监测低温液化气罐10中的液化气的状态。根据本发明的优选实施方式，借助于传感器31的阵列30，可以限定罐中的液化气的表面液位或通常限定罐中的液化气的相位的液位变化。同样，另外地或替代地，取决于传感器31的配置，液化气的状态可以包括罐中的液化气(液化部分和气态部分两者)的温度分布。在图1中，该阵列包括被布置在不同竖直位置处的传感器31。这些传感器可以被布置成使得他们以竖直直列式构型直接一个在另一个上方。这种阵列被配置以确定罐10中的液化气的表面液位的竖直位置。
46.如在图1的右侧视图中所描绘的，每个传感器31被布置在预定竖直位置s.1
–
s.n处。零高度可以被标记为水平s.1，其表示空的罐，而s.n表示罐的全高度h。每个竖直位置s.1
–
s.n限定距底部的预定高度h、或零高度位置。因此，传感器31中的每一个的竖直位置是预定的并且是用于确定表面液位的竖直位置的已知变量。温度传感器30的阵列包括其用于测量和数据信号以及用于控制的接口32。在图1中，该接口位于罐连接空间22中。
47.如图1中所示，温度传感器31的阵列30不可移除地布置在罐10的内壳壁16’上，位于罐10的储存空间11的相反侧，并且处在外壳18以内。各个传感器31被附接成与内壳壁16’热传递连接。
48.到壳的外表面的直接附接可以例如通过胶水或其他粘性接头来实现。即使传感器未被直接附接到壁，本发明的效果至少在一定程度上也是可以获得的。即使在传感器和壳
壁之间存在已知物质层，传感器的测量值也能够使用层物质的热导率和层的厚度来校正为以足够的精度对应于壳壁温度。该附接还可以通过例如被焊接到壁16的合适的中间件来实现。本发明的基本思想是，传感器31的阵列30是针对罐的使用寿命被不可移除地布置和配置的，并且传感器的冗余是通过布置传感器来实现的。考虑期望的分辨率，传感器的分布，即，相邻传感器之间的距离，可以通过简单的实验或计算来确定。
49.如图1中所示，这些传感器处在绝热体腔20中，使得他们不能通过使用非破坏性装置从外部触及。更具体地，该图描绘了本发明的这要的实施方式，其中，传感器被嵌入在设置在绝热体腔20中的绝热体中，使得无法通过使用非破坏性装置从外部触及传感器。在实践中，这意味着罐是在外壳18上没有用于触及这些传感器的任何维修门的情况下构建的。
50.传感器31中的每个传感器被布置成通过数据线或数据总线34与接口32进行数据传送通信。该接口充当传感器与结合接口32布置的计算机单元之间的链接。计算机单元包括呈计算机程序形式的可执行指令，当在计算机单元36中执行时，这些可执行指令基于从传感器31获得的温度数据提供监测信息。更具体地，计算机单元被配置为通过计算机程序从传感器的阵列30中的传感器31获得温度数据。有利地，数据包括来自传感器31中的每一个的数据。此外，计算机程序被配置为对传感器的阵列的传感器31进行有效性检查，
51.为了使阵列30的使用寿命能持续制造商限定的罐10的标称预期寿命，本发明使得即使一些传感器可能因任何原因而变得不可工作，罐中液化气的表面液位也可通过使用其他仍可工作的传感器来确定。计算机程序包括用于对传感器进行有效性检查的指令，使得在一传感器未通过有效性检查的情况下，丢弃在确定罐10中的液化气的状态的过程中不被使用的温度数据而不对其进行进一步的处理。计算机单元36包括进一步的可执行指令，以通过仅利用通过了有效性检查的传感器，基于通过了有效性检查的传感器的温度数据来确定液化气的状态。
52.包含罐10中的传感器31中的每一个的实际竖直位置的信息被存储在计算机单元36中或使得可供其使用，因此温度数据可以用于确定罐10中的液位。参见图1，为了举例，如果假设恰好在液位s.1上方的传感器31’没有通过有效性检查，则根据图1所示的实施方式，其温度数据将被丢弃并且用使用通过了有效性检查的温度数据计算的内插的温度数据来替换。在图2中，示出了罐10中的液化气的表面s.1，该表面的下方是液相而该表面的上方是气相。曲线t展示了在液相至气相之间的过渡区域处的温度行为，其中向右的方向表示升高的温度。图2中的十字表示在所确定的竖直位置处通过了有效性检查的每个传感器的温度数据。液体的温度由于自然蒸发而在表面附近降低，其中气体的蒸发消耗来自液体的能量，降低其温度，导致在表面高度处形成可识别的局部最小值。这可以用于确定液位。而且，液化气的温度显著低于液化气表面上方的气体的温度。这也可用于确定液位。现在，被丢弃的传感器31’的温度数据可以由通过使用在竖直阵列30中通过了有效性检查的相邻传感器获得的内插值来替换。因此，计算机单元36包含可执行指令，该可执行指令：通过对温度传感器的竖直阵列中的传感器31进行读取来确定液化气的表面液位s.1的竖直位置，并且用使用通过了有效性检查的传感器31的温度数据计算的内插的温度数据来替换任何丢弃的温度数据31’。
53.现在，通过这种方式，通过如图1中所描绘的低温液化气罐10，可以实施一种监测液化气的方法，该方法包括：首先在与罐的储存空间相反的一侧布置用于测量该罐的内壳
壁16’的温度的温度传感器31、31’的阵列30，对温度传感器的阵列中的传感器31、31’进行读取，获得温度数据，对温度传感器的阵列30中的传感器进行有效性检查，以及在传感器31’未通过有效性检查的情况下，丢弃温度数据而不进行进一步处理，并且通过仅使用通过了有效性检查的传感器31，基于通过了有效性检查的传感器的温度数据来确定液化气的状态。
54.传感器的有效性检查可通过以下步骤来执行：设定传感器的温度数据的基准值，以及将传感器的每个温度数据与基准值进行比较。可选地，基准值可被设定为使得其是基于实际经验的，使其表示适当运行的传感器的温度的相当好的估计，使得传感器的可能故障是可识别的。任选地，基准值可以被设定为阵列中的这些传感器中的被确认为可工作的传感器的温度数据。因此，在温度数据与基准值的差大于预定的允许值的情况下，丢弃传感器的温度数据而不进行进一步的处理。罐中的液化气的表面液位的竖直位置是基于仅利用通过了有效性检查的传感器来确定的。
55.温度数据与基准值的差也可以被理解为使用这样一个范围，即，设定传感器的温度数据的基准值范围，并且在温度数据不在基准值范围内的情况下，丢弃温度数据而不进行进一步的处理。
56.在图3中，示意性地示出了低温液化气罐10的端部，该低温液化气罐的大部分类似于图1中所示的低温液化气罐。图3中所示的液化气罐10不包括像图1中示出的罐连接空间，并且应理解的是该罐连接空间仅是一个可任选的特征。通常，在海洋解决方案中需要罐连接空间，但在基于陆地的罐中不一定需要罐连接空间。图3中所示的罐10与图1中的罐的区别在于，虽然罐10包括温度传感器31的阵列30，但阵列30是传感器31的二维阵列。换言之，阵列中的传感器31包括若干水平行和若干紧直列，即，其被配置为矩阵。在图3所示的实施方式中，温度传感器31的阵列包括多个传感器31，这些传感器在三个竖直列中在预定位置处被布置到罐10，使得在每个水平行处存在三个水平相邻的传感器31。水平相邻传感器的数量可根据情况而变化。用语竖直和水平在此还应理解成使得水平表示液化气的自由表面的一般方向，且竖直表示垂直于水平方向的方向，即，液化气的表面的一般方向的法线方向。在图3中，阵列被配置成确定罐10中的液化气的表面液位的竖直位置。该传感器的阵列从罐的底部竖直地延伸至顶部。传感器竖直或水平的分布不一定是均匀的，并且传感器之间的竖直距离可以不同。
57.根据图3中描绘的本发明的实施方式，阵列30被配置成用于监测低温液化气罐10中的液化气。借助于传感器31的阵列30，可以限定罐中的液化气的表面高度。图3中的监测装置和方法对应于图1中的监测装置和方法，但在图3的实施方式中，该方法包括对温度传感器的阵列中的传感器进行读取，获得温度数据，对所述温度传感器的阵列的所述传感器进行有效性检查，在一传感器未通过有效性检查的情况下，丢弃温度数据而不进行进一步的处理，以及仅利用通过了有效性检查的传感器，基于通过了有效性检查的传感器的温度数据来确定液化气的状态。在该实施方式中，被丢弃的传感器的温度数据有利地被与该被丢弃的传感器位于相同的竖直行且通过了有效性检查的传感器的温度数据替换。当一行中的传感器的数量为n时，即使同一行中的n
‑
1个传感器未能工作，也可以使用阵列30而不降低精度或分辨率。
58.同样在图3的实施方式中，传感器的有效性检查可以并且有利地是通过将阵列中
的水平相邻的传感器的温度数据设定为特定传感器行的基准值来进行的。
59.在图3所示的实施方式中，还可想到的是，在相同竖直行处的所有传感器变得不可用的情况下，或者未通过有效性检查的情况下，丢弃温度数据并将其替换为内插的温度数据，该内插的温度数据是使用通过了有效性检查的竖直相邻的传感器的温度数据计算的，如结合图2所解释的。
60.还应注意，在图3的实施方式中，计算机单元36包含可执行指令，该可执行指令通过以下步骤来确定液化气的表面液位的竖直位置：对温度传感器的阵列中的叠置的传感器进行读取，并且用水平方向上最邻近被丢弃的传感器的通过了有效性检查的传感器的温度数据来替换任何被丢弃的温度数据。
61.在图4中，示意性地示出了低温液化气罐10的端部，该低温液化气罐的大部分类似于图1中所示的低温液化气罐。图4中所示的罐10与图1中的罐的区别之处在于，虽然罐10包括温度传感器31的阵列30，但该阵列是传感器31的从罐的一端延伸至相反端的二维阵列。阵列30的此配置使得既可以限定罐中的液化气的表面高度，又可以限定罐10中的液化气(液化部分和气态部分两者)的二维温度分布。在图4所示的实施方式中，温度传感器31的阵列30包括多个传感器31，这些传感器在多个竖直列中在预定位置处布置到罐10，使得在每个水平行处存在多个水平相邻的传感器31。水平相邻的传感器的数量可根据情况而变化。在图4中，阵列被配置成主要确定罐10中的温度分布。传感器的阵列从罐的底部竖直地延伸至顶部。实际上，在图4中示出的实施方式中，存在竖直分布的传感器31的至少两个相邻阵列。根据本发明的一个实施方式，罐10在其两端附近并且任选地在两端之间配备有传感器的阵列。
62.传感器竖直或水平的分布不一定是均匀的，并且传感器之间的距离可以不同。在考虑期望的分辨率的情况下，传感器的数量和分布(即，相邻传感器之间的距离)可通过简单的实验或计算来确定。
63.液化气的表面液位的竖直位置在第一水平位置或传感器列处是通过对温度传感器的阵列中的第一列竖直叠置的传感器进行读取来确定的，并且液化气的表面液位的竖直位置在第二水平位置处是通过对温度传感器的阵列中的第二列竖直叠置的传感器进行读取来确定的。这提供了使得有可能在罐倾斜的情况下限定液位的效果。这可能会在船舶的安装过程中发生。
64.同样在图4的实施方式中，通过用水平方向上最邻近被丢弃的传感器的通过了有效性检查的传感器的温度数据替换任何被丢弃的温度数据，提供了阵列30的冗余。对温度传感器的阵列中的第二列水平叠置的传感器进行读取，这可以用于用水平方向上最邻近被丢弃的传感器的通过了有效性检查的传感器的温度数据来替换任何被丢弃的温度数据。
65.在图5中，示出了罐10中的液化气的表面s.1，该表面的下方是液相，并且该表面的上方是气相。曲线t展示了在液相与气相之间的过渡区域处的温度行为，其中向右的方向表示升高的温度。图5中的十字表示在所确定的竖直位置处通过了有效性检查的列c1中的每个传感器的温度数据。此时，被丢弃的传感器31’的温度数据可以用相邻列c2中通过了有效性检查并且水平方向上最邻近被丢弃的传感器31’的传感器31”的温度数据来替换。图5中的三角形符号表示列c2中的传感器31”的温度数据。
66.因此，计算机单元36包含可执行指令，该可执行指令：通过对温度传感器的竖直阵
列中的传感器31进行读取来确定液化气的表面液位s.1的竖直位置，并且将任何被丢弃的温度数据31’替换为水平方向上最邻近被丢弃的传感器的通过了有效性检查的传感器31”的温度数据。
67.在这些图中，罐10是水平的圆柱形罐，但其也可以是竖直的，即，其中心轴线是基本上竖直的。罐还可以是大气罐和/或其可以具有不同的形式，例如球形或棱形罐。这些传感器在这些图中仅处在罐的一侧，但是其也可以被布置在例如罐的包围该罐的每个壁区段上。
68.虽然在此已经通过举例结合目前被认为是最优选的实施方式描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在覆盖其特征的各种组合或修改，以及包括在本发明的范围内的若干其他应用，如所附权利要求书所定义的。当这样的组合在技术上可行时，结合任何上述实施方式提到的细节可以结合另一实施方式使用。